黃明

（安徽省地礦局322 地質隊，安徽 馬鞍山243000）

1 結晶器的錐度設計方法

結晶器內部的坯殼逐漸形成并呈現越來越厚的趨勢，則坯殼斷面就會逐漸收縮。對結晶器的傳熱情況進行改善，需要設計向下的結晶器錐度。若是結晶器錐度過大，將會導致結晶器擠壓坯殼，從而使得角部發(fā)生凹陷。同時結晶器和坯殼之間會發(fā)生更劇烈的摩擦，使得結晶器出現嚴重的磨損。氣隙現象的發(fā)生，會形成角部熱點，從而導致坯殼變薄甚至開裂。結晶器的錐度減小，會加大氣隙現象，從而減小熱流，致使坯殼出現質量問題。單一錐度結晶器容易受到不均勻氣隙厚度和不規(guī)則氣隙形狀的影響，導致其在連鑄過程中發(fā)生不良質量問題。

在進行結晶器錐度的設計時，結晶器的倒錐度需要維持鑄坯在冷卻收縮后與結晶器內表面的接觸。倒錐度（Tap）通常以結晶器內腔尺寸（單位長度）變化率表示：

式中，Tap為結晶器倒錐度，%·m-1；S上為結晶器上邊長，mm；S下為結晶器下邊長，mm；L為結晶器的長度[1]。

2 建立結晶器熱力耦合模型

2.1 結晶器內鑄坯熱力耦合模型

2.1.1 模型假設

根據異形坯橫斷面截面圖，可以對其模型做出如下假設：首先，拉坯方向的傳熱速率較小，可以將其選擇性忽略，以簡化計算流程；其次，可以將鑄坯橫斷面變形問題假設為平面應變，以更好地理解；再次，由于結晶器振動會影響鑄坯的傳熱情況，而通過假設可以將其忽略；最后，在高溫條件下，鋼容易發(fā)生塑變，所以能夠以彈塑性模型計算。除此之外，模型假設能夠將這些問題簡化為二維非穩(wěn)態(tài)導熱問題，能夠更加容易地使用網格形式來進行溫度場分析以及變形情況分析。

2.1.2 邊界條件

由于連鑄機的類型、澆筑溫度、銅板鍍層厚度以及拉速等因素都會對結晶器和銅板間的熱流密度（qi）產生影響。熱流密度的計算公式如式（2）：

式中，A、B均為常數；t為鋼水在結晶器內的停留時間。

學者根據相關測量和研究，得知常數A、B的數值，得到式（3）：

又根據相關實踐研究，對式（3）進行了修正，得到式（4）：

模型對稱面可以應用絕熱邊界條件。由于角部的氣隙作用會影響傳熱，因此，可以假設角部熱流為中心部分的0.6～0.8 倍。

2.2 建立結晶器銅板熱力耦合模型

2.2.1 基本假設

在建立結晶器銅板熱力耦合模型時，需將結晶器的1/4 作為研究對象。首先，假設結晶器傳熱情況趨于穩(wěn)定；其次，假設結晶器不受振動的影響；在此，假設結晶器銅板不受到其他變形情況的影響，僅發(fā)生彈性變形；最后，假設結晶器銅板傳熱不影響銅板鍍層。

2.2.2 邊界條件

結晶器銅板的熱邊界條件為：

式中，λ 為銅板導熱系數；h為對流傳熱系數；Ta為水溫或者室溫；Tb為結晶器銅板表面溫度。

結晶器對稱面采用絕熱邊界條件：

關于力學邊界條件，需要將結晶器的對稱面設置成對稱位移邊界條件；同時，結晶器冷面與背板剛性接觸，其位移為0；結晶器銅板自由液面的上半部分，可以將其力學邊界條件設為自由表面；將結晶器銅板的上表面和下底面設定為自由表面的邊界條件[2]。

3 選擇材料的物性參數

3.1 鑄坯材料參數

本次選擇了Q235 的鋼種來模擬澆筑，同時根據相應公式測得該鋼種固、液相線溫度分別為1454℃和1510℃。其本構模型選用線性強化塑性模型。屈服應力和硬化模量隨溫度變化的情況如表1 所示。

表1 鑄坯的屈服應力和硬化模量隨溫度變化情況

3.2 銅板材料參數

本文研究的異形坯結晶器銅板材料選取了銅-鉻-鋯-鋁合金，以滿足結晶器銅板對于強度、硬度和腐蝕程度的要求。

4 分析結果

根據鑄坯以0.6m/min 拉速出結晶器下口時凝固收縮后的鑄坯變形云圖可知，收縮變形主要發(fā)生在翼板外側面，窄邊中心的收縮變形量最大，而其他部位，如翼板內側、翼梢等處位移幾乎為0。因此，在進行異形坯結晶器錐度設計時，可以忽略翼梢、翼板內側等位置的錐度，加大對窄面、翼梢和腹板的錐度研究和分析。在不同的拉速條件下，鑄坯的各個部位的變化情況各不相同，并且各自有一定的規(guī)律。比如，隨著拉速的增加，鑄坯結晶器內收縮量逐漸減小。

分析銅板的熱變形結果可知，不同拉速彎月面上部的曲線基本一致，在此之后一直到出結晶器口這一段則會發(fā)生明顯的變化。根據結晶器的設計原則，應當保持結晶器的倒錐度與鑄坯在結晶器內凝固收縮曲線大致相等，因此，需要將結晶器分為3 錐度，以減小氣隙對傳熱造成的影響。

從結果可以看出，異形坯結晶器窄面、翼梢、腹板的錐度呈現由上到下越來越小的趨勢，充分體現了下小上大的特征。同時，拉速逐漸增加，其錐度逐漸呈現下降的情況。

5 錐度設計

根據上述分析可知，結合模擬結果設計的3 錐度異形坯結晶器的錐度如表2 所示。

表2 3 錐度結晶器的錐度

可以看出，基于模擬結果設計的單錐度異型坯結晶器的錐度基本符合相關設計要求。

6 結語

綜上所述，異形坯與其他鑄坯的主要設計區(qū)別在于翼板內側、翼梢等處的收縮位移幾乎為0，因此，在設計結晶器錐度時，可以將其設置為0。鑄坯的收縮變形的主要位置為翼板外側面，窄邊中心的收縮變形量最大。根據本文對于鑄坯在結晶器內鑄坯變形、結晶器銅板熱變形以及拉速對結晶器錐度的影響情況的分析，得出了相應的設計結果和方案。